EP3899577A1 - Einrichtung zum betreiben einer lichtquelle zur optischen laufzeitmessung - Google Patents

Einrichtung zum betreiben einer lichtquelle zur optischen laufzeitmessung

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EP3899577A1
EP3899577A1 EP19828658.5A EP19828658A EP3899577A1 EP 3899577 A1 EP3899577 A1 EP 3899577A1 EP 19828658 A EP19828658 A EP 19828658A EP 3899577 A1 EP3899577 A1 EP 3899577A1
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EP
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light source
signal
pulse
monitoring circuit
light
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Application number
EP19828658.5A
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English (en)
French (fr)
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Ralf Beuschel
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Microvision Inc
Original Assignee
Ibeo Automotive Systems GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out

Definitions

  • the present invention relates generally to a device for operating a light source for optical transit time measurement.
  • Various methods for optical transit time measurement are generally known, which can be based on the so-called time-of-flight principle, in which the transit time of a light signal emitted and reflected by an object is measured in order to determine the distance to the object on the basis of the transit time.
  • sensors are used which are based on the so-called LIDAR principle (Light Detection and Ranging), in which pulses are periodically emitted to scan the surroundings and the reflected pulses are detected.
  • LIDAR principle Light Detection and Ranging
  • a corresponding method and a device are known for example from WO 2017/081294.
  • the present invention provides a device for operating a light source for optical transit time measurement, comprising:
  • a light source which is set up to generate light pulses according to a
  • a monitoring circuit for monitoring a light power emitted by the light source based on a current signal and / or voltage signal of the light source.
  • some exemplary embodiments relate to a device for
  • a light source which is set up to generate light pulses according to a
  • a monitoring circuit for monitoring a light power emitted by the light source based on a current signal and / or voltage signal of the light source.
  • the device can generally be used in a LIDAR system or the like and can be used, for example, in the motor vehicle environment, without the present invention being restricted to these cases. Consequently, in some exemplary embodiments, the device also includes a corresponding detector or sensor, for example based on SPAD (single avalanche photo diode) technology, CAPD (current assisted photo diode) technology, CMOS
  • SPAD single avalanche photo diode
  • CAPD current assisted photo diode
  • the device can be set up to determine the transit time of the emitted light pulses and, based on this, for example, to determine the distance between the device and the object, a three-dimensional image of the object or the like.
  • the light source can comprise one or more laser elements, for example laser diodes, VCSEL (Vertical Surface Emitting Laser) or the like, or can also be based on LED (Light Emitting Diode) technology or the like.
  • laser diodes for example laser diodes, VCSEL (Vertical Surface Emitting Laser) or the like, or can also be based on LED (Light Emitting Diode) technology or the like.
  • LED Light Emitting Diode
  • the light source should be safe for the eyes (“eye safe”), as it is for some light sources, especially lasers
  • the monitoring circuit monitors the light power emitted by the light source, the light source in some embodiments, for example.
  • the light source emits light pulses, in some exemplary embodiments it is necessary to integrate or add up the emitted light energy in order to monitor the emitted light output.
  • the current pulses with which the light source is operated based on the pulse sequence are in a range from 2 to 10 nanoseconds long, without restricting the present invention thereto. Accordingly, it was also recognized that a conventional analog-to-digital converter or converter in a range from 1 GHz to 5 GHz would be required to digitize the current signal, such converters typically being expensive and requiring high power (e.g. greater than 500 Milli-watts, so
  • the determination of the distance is based on the so-called TCSPC (time correlated single photon couting) measuring principle
  • the light source can emit light pulses periodically, for example at a high frequency of every two microseconds in a 300 meter range, without restricting the present invention to this specific example.
  • the device can comprise a (start) pulse generator for generating a pulse signal, wherein the pulse signal can serve as a start pulse for the measurements and also as a basis for generating the pulse signal sequence.
  • light pulses can be five to twenty nanoseconds in length for measurement, and in some embodiments the pulse sequence represents a bit sequence, e.g. B. a 16 bit pseudo-random bit sequence, so that, for example.
  • the monitoring circuit comprises an on-time monitor, which is set up to monitor whether the continuous
  • Switch-on time of the light source is less than a predefined switch-on time threshold.
  • the on-time monitor can, for example, analyze a voltage signal from the light source which has a certain value when the light source is active and no or a lower value when the light source is not active.
  • the switch-on time can be proportional to the light energy or light output.
  • the monitoring circuit includes a duty cycle monitor that is configured to monitor whether a
  • Duty cycle of the light pulses (e.g. based on the pulse signal and the current / voltage signal) is smaller than a predetermined duty cycle threshold.
  • the key ratio monitor can, for example, integrate a pulse train of light pulses, which is based on the pulse sequence, based on the current / voltage signal in such a way that all active light pulses of the pulse train are taken into account. This can be done by determining all bits of the pulse sequence in which the
  • Light source is active (e.g. all bits with the value "1" or "0").
  • the pulse duty factor threshold value can, for example, be selected such that it specifies that the light source was not active for more than 8 bit periods (eg 80 ns).
  • the monitoring circuit includes a window monitor that is configured to monitor whether the light source is activated outside the pulse sequence. For example, a malfunction of the light source can be detected if, for. B. the light source is not deactivated after the pulse sequence or no longer responds to it correctly.
  • the device includes one
  • Pulse sequence generator which is set up to convert the pulse signal sequence, e.g. B.
  • the device can also further comprise a pulse window generator which generates a pulse window based on the pulse signal, the start of the pulse window being generated, for example, when the pulse signal is received, and the end of the pulse window being generated after the pulse train has expired.
  • the pulse window itself can be represented, for example, by a corresponding signal and represents the active time of the light source (based on a pulse train).
  • the monitoring circuit comprises a first converter for time-correlated sampling of the current signal from the light source (and for outputting a corresponding sampled and digitized one
  • Fast time-to-digital converters are generally known and can, for example, have a time resolution of better than 500 picoseconds.
  • the current signal from the light source can be digitized inexpensively and with high time resolution.
  • the monitoring circuit includes a second converter for time-correlated sampling of the voltage signal from the light source (and for outputting a corresponding sampled and
  • the analog waveform of the current signal or the voltage signal can be sampled sequentially, since in some exemplary embodiments it is synchronous and periodic with the TCSPC measurement cycle.
  • the monitoring circuit comprises an energy calculator which is set up to calculate an electrical energy value based on the current signal and / or voltage signal of the light source and to calculate an overall light output or pulse energy based thereon (e.g.
  • the energy calculator can, for example, simply calculate the energy by multiplying the voltage value U by the current value I, the current value I being determined by integrating the current signal originating from the first converter, and the voltage value U can either be a model-based value (e.g. due to determined a linear relationship with the current value I or determined on the basis of a monotonically increasing function that has a unique function for the relationship between
  • Voltage signal can be determined.
  • the device further includes one
  • T emperature compensator which is set up to correct the emitted light output based on the electrical energy value and an operating temperature value of the light source.
  • the emitted light output can correlate with the temperature, for example the efficiency falling with the increase in temperature, so that a higher current which flows through the light source does not necessarily have to be associated with a higher emitted optical energy.
  • the required electrical energy can increase in correlation with the temperature increase that is required for the same emitted light energy.
  • the temperature compensator can take this effect into account by, for example, a
  • Light output which is based on the charging of the current and / or voltage signal, corrected according to the current temperature or by setting a reference value corrected with which, for example, the electrical energy determined by the energy calculator is compared.
  • the light source comprises a temperature sensor that detects the operating temperature value of the light source
  • the device includes a measuring resistor (e.g. shunt resistor) that outputs a voltage sensing signal based on a current signal from the light source.
  • a differential frequency amplifier can be provided, which amplifies the voltage scanning signal of the measuring resistor.
  • the device can comprise a comparator which compares the voltage scanning signal with a reference value and, based on this, a status signal
  • the status signal can, for example, be a “light source on” signal that signals that the light source is active.
  • the monitoring circuit comprises error logic, which is set up to deactivate the light source based on the monitoring of the light power emitted by the light source.
  • the device discussed herein can be integrated in a transit time measuring device, such as. B. a LI DAR measuring device, which in turn can be integrated or provided in a motor vehicle or another device.
  • a transit time measuring device such as. B. a LI DAR measuring device, which in turn can be integrated or provided in a motor vehicle or another device.
  • the device described can also be used in an autonomously operated (motor vehicle.
  • LIDAR measuring device Operating a LIDAR measuring device or the like), which is carried out, for example, by a device described herein. Some embodiments also relate to a (computer) program that receives instructions that, when executed on a processor or computer, result in the method described herein being carried out.
  • Some embodiments also relate to a computer readable medium that receives a program or instructions that, when executed on a processor or computer, result in the program or method described herein being executed.
  • monitoring of critical parameters of eye safety is accordingly provided.
  • the light source can be switched off by a corresponding signal if a violation of a parameter that is relevant to eye safety is detected.
  • a start pulse signal can be used to monitor the on-time of the light source (e.g. the laser).
  • the light source is switched off when a switch-on time (“t_on_max” of, for example, seven or five nanosecond pulses) is exceeded.
  • t_on_max of, for example, seven or five nanosecond pulses
  • the light source can also be switched off if it is active outside the pulse window and / or if one
  • Pulse sequence exceeds a duty cycle threshold.
  • the average and the peak current value of the light source are also monitored, for example on the basis of a TDC circuit below
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device for operating a
  • Fig. 2 illustrates a second embodiment of a device for operating a light source for optical transit time measurement.
  • 1 illustrates a circuit diagram of a first exemplary embodiment of a device 1 for operating a laser diode 2 for optical transit time measurement with a monitoring circuit 3 for monitoring the eye safety of the operation of the laser diode 2.
  • a start pulse generator 4 of the device 1 outputs periodic trigger signals to start a LI DAR pulse measurement, e.g. B. a single measurement within a TCSPC cycle.
  • the periodic trigger signals or pulse signals are generated by one
  • Receive pulse sequence generator 5 which generates a pulse sequence in response by transforming the periodic pulse signals into the pulse sequence, which can be, for example, a 16-bit sequence of "0" and “1", a "1" being a switch-on or activation of the laser (laser diode) 2, so that the laser 2 emits light pulses according to the pulse sequence.
  • the pulse sequence is serialized with a 10 ns bit period. In the present exemplary embodiment, the length of a pulse train of light signals is 160 ns.
  • the pulse train can basically have any combination of "1" and "0” with a certain boundary condition for the "1", since this determines the on-time of the laser 2, so that the total number of "1" together with the pulse frequency is the average Laser power defined.
  • the pulse train can also have only a single light pulse.
  • the pulse sequence generator 5 outputs the pulse sequence to a laser driver 6, which converts the pulse sequence into high-current signals for operating the laser diode 2.
  • the laser driver 6 is connected to a laser switch 7, on which one
  • S is present, which is supplied to the laser driver 6 when the laser switch 7 is switched on.
  • the laser switch 7 can switch off the laser diode 2 if, for example, the laser driver 6 has a malfunction, is defective or a short-circuit situation occurs, which Laser diode 2 can permanently emit light (pulse), which would be critical with regard to eye safety, and it also represents a redundant control path, since in addition to the laser driver 6, the laser switch 7 can also switch off the laser diode.
  • the laser switch 7 can receive a corresponding switch-off signal from the monitoring circuit 3, as will also be explained in more detail below.
  • the current flowing through the laser diode 2 is measured by the voltage drop across a shunt resistor 8, which is connected to the laser diode 2.
  • the sampled voltage is supplied to a differential amplifier 9, which amplifies the small sampling voltage signal and outputs it to a comparator 10.
  • the comparator 10 compares the amplified voltage scanning signal with a reference value and outputs a corresponding laser status signal which indicates whether the laser diode is on (voltage scanning signal greater than the reference value) or off (voltage scanning signal less than the reference value).
  • the signal which is output by the comparator 10 is a laser-on signal in the present exemplary embodiment and the first rising edge of this signal can be used to start the TDCs for the time-of-flight measurement.
  • the start pulse generator 4 also delivers the pulse signal to a pulse window generator 11, so that the start pulse generator 4 triggers the pulse window generator 11.
  • the pulse window generator outputs a window signal which is set “high” (start of the window) as soon as the start pulse has been received and set to "low” (end of the window) after the maximum time of the pulse train, i.e. B. after 160 ns, which corresponds to the length of the pulse train in this embodiment.
  • the laser-on signal of the comparator 10 is supplied to the monitoring circuit 3, which has three monitors, namely an on-time monitor 12, one
  • the on-time monitor 12 checks whether the continuous on-time of the laser diode 2 (without interruption) does not exceed a predefined on-time threshold. For example, the laser diode 2 must not be activated longer than for two consecutive pulses, ie two consecutive “1” of the pulse sequence. Accordingly, the on-time monitor 12 outputs an error signal to an error logic 15 if the switch-on time or activation time therein
  • Embodiment is above a turn-on time threshold of 22 ns, the 22 ns resulting from the turn-on time of 20 ns for two pulses with an added tolerance of 2 ns.
  • the duty cycle monitor 13 accumulates or integrates the on times of the
  • the window monitor 14 checks that the laser diode 2 is not outside the
  • Pulse sequence window (window signal), which is supplied by the pulse window generator 11, is operated or activated.
  • a malfunction of the system can be recognized if, for example, the laser driver 6 has a malfunction, is defective or the like and, for example, does not switch off at the end of a pulse sequence.
  • the window monitor 14 also outputs an error signal to the error logic 15.
  • the error logic 15 combines the error signals which it receives from the monitors 12 to 14 and in the event of an error it sends a corresponding one
  • the error logic 15 can also one
  • FIG. 2 illustrates a circuit diagram of a second exemplary embodiment of a device 20 for operating a laser diode 21 for optical transit time measurement with a monitoring circuit 22 for monitoring the eye safety of the operation of the laser diode 21.
  • a start pulse generator 23 of the device 20 outputs periodic trigger signals to start an LI DAR pulse measurement, e.g. B. a single measurement within a TCSPC cycle.
  • the periodic trigger signals or pulse signals are generated by one
  • Receive pulse sequence generator 24 which in response generates a pulse sequence by transforming the periodic pulse signals into the pulse sequence, which can be, for example, a 16-bit sequence of "0" and "1", with a "1" being a switch-on or activation of the laser (laser diode) 21, so that the laser 21
  • the pulse sequence is serialized with a 10 ns bit period.
  • the length of a pulse train of light signals is 160 ns.
  • the pulse train can basically have any combination of “1” and “0” with a certain boundary condition for the “1”, since this determines the on-time of the laser 21, so that the total number of “1” together with the pulse frequency is the average Define laser power.
  • the pulse sequence generator 24 outputs the pulse sequence to a laser driver 6, which converts the pulse sequence into high signals (current signals) for operating the laser diode 21.
  • the laser driver 25 is connected to a laser switch 26, on the one
  • the laser switch 26 can switch off the laser diode 21 if, for example
  • Laser driver 25 has a malfunction, is defective or a short circuit situation occurs, which causes the laser diode 21 to permanently emit light (pulse), which would be critical with regard to eye safety, and it also represents a redundant control path, since in addition to the laser driver 25, the Laser switch 26 can turn off the laser diode 21. In addition, the laser switch 26 can receive a corresponding switch-off signal from the monitoring circuit 22, as will also be explained in more detail below.
  • the current flowing through the laser diode 21 is measured by the voltage drop across a shunt resistor 27, which is connected to the laser diode 21.
  • the sampled voltage is supplied to a differential amplifier 28, which amplifies the small sampling voltage signal and outputs it to a comparator 29.
  • the comparator 29 compares the amplified voltage scanning signal with a reference value and outputs a corresponding laser status signal which indicates whether the laser diode 21 is on (voltage scanning signal greater than the reference value) or off (voltage scanning signal less than the reference value).
  • the signal which is output by the comparator 29 is a laser-on signal in the present exemplary embodiment and the first rising edge of this signal can be used to start the TDCs for the time-of-flight measurement and also to set the to start both TCADCs 30 and 31 (see also below) of the monitoring circuit 22.
  • the start pulse of the start pulse generator 23 can also be used for this, the output signal of the comparator 29 being slightly delayed and not influenced by the laser driver 25 due to jitter.
  • TCADCs 30 and 31 may be configured as disclosed in German Patent Application No. 102018220688.0, the contents of which are incorporated by reference in their entirety.
  • the monitoring circuit has a first TCADC 30 (time-correlated analog-to-digital converter), also called a first converter 30, and a second TCADC 31, also called a second converter 31.
  • the first TCADC 30 samples the analog current signal generated by the
  • the if 28 is delivered, time-correlated and after a TCSPC cycle z.
  • B. a hundred pulse repetitions a sampled current signal available for further processing, which is supplied to an energy calculator 32.
  • the second TCADC 31 samples the analog voltage signal of the “high side” of the
  • Laser diode 21 time correlated from and after a TCSPC cycle or z. B. a hundred pulse repetitions, the second TCADC 31 provides a sampled voltage signal for further processing, which is also supplied to the energy calculator 32.
  • the energy calculator 32 calculates the total pulse energy (total electrical energy generated by the laser diode 21) based on the digitized current signal from the first TCADC 30 and the digitized voltage signal from the second TCADC 31 as soon as available (e.g. after a hundred pulse repetitions) has flowed and corresponds to an emitted light output) by multiplying the integral over the voltage signal by the integral over the current signal.
  • the voltage value can be assumed as a constant or, for example, via a linear (or as described above monotonous) relationship with the
  • the value of the total pulse energy (here correspondingly the total electrical energy) is supplied to a comparator 33 which measures the value of the total
  • the error logic 34 compares pulse energy with a reference value and if the reference value is exceeded, a corresponding error signal is output to an error logic 34, the error logic 34 in response to the error signal outputing an appropriate shutdown signal to the laser switch 26, which then turns off the laser diode 21.
  • the error logic 34 can also receive other error signals.
  • a temperature sensor 35 is provided on the laser diode 21, which determines the operating temperature of the laser diode 21 and a corresponding temperature signal to a temperature compensator 36
  • Monitoring circuit 22 delivers.
  • the temperature compensator 36 monitors the temperature of the laser diode 21 based on the received temperature signal.
  • the measured electrical energy (by scanning the TCADCS 30 and 31 and calculated by the energy calculator 32), which is consumed by the laser diode 21, is linked to the emitted light output via the optical efficiency of the laser diode 21, the efficiency or the efficiency of the Laser diode 21 is temperature-dependent, so that the efficiency decreases with increasing temperature, in particular at a temperature of over 60 ° C in this embodiment.
  • the temperature compensator 36 has a relationship between the emitted optical light power and the operating temperature stored in its memory and can communicate the reference value stored there based on the current operating temperature by communication with the comparator 33

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zum Betreiben einer Lichtquelle (2) zur optischen Laufzeitmessung, umfassend: • eine Lichtquelle (2), die dazu eingerichtet ist, Lichtpulse gemäß einer Pulssignalsequenz zu emittieren; und • eine Überwachungsschaltung (3) zum Überwachen einer von der Lichtquelle (2) emittierten Lichtleistung basierend auf einem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle (2).

Description

Einrichtung zum Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessunq
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Einrichtung zum Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung.
Allgemein sind verschiedene Verfahren zur optischen Laufzeitmessung bekannt, die auf dem sogenannten Time-of-Flight Prinzip beruhen können, bei dem die Laufzeit eines ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Lichtsignals gemessen wird, um die Distanz zu dem Objekt auf Grundlage der Laufzeit zu bestimmen.
Insbesondere im Kraftf a hrzeugumfeld werden Sensoren eingesetzt, die auf dem sogenannten LIDAR-Prinzip beruhen (Light Detection and Ranging), bei dem zum Abtasten der Umgebung periodisch Pulse ausgesendet und die reflektierten Pulse detektiert werden. Ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielsweise aus WO 2017/081294 bekannt.
Auch wenn aus dem Stand der Technik Lösungen für die optische Distanzmessung bekannt sind, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung bereitzustellen.
Diese Aufgabe löst die Einrichtung nach Anspruch 1.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung, umfassend:
eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Lichtpulse gemäß einer
Pulssignalsequenz zu emittieren; und
eine Überwachungsschaltung zum Überwachen einer von der Lichtquelle emittierten Lichtleistung basierend auf einem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie erwähnt, betreffen manche Ausführungsbeispiele eine Einrichtung zum
Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung, umfassend:
eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Lichtpulse gemäß einer
Pulssignalsequenz zu emittieren; und
eine Überwachungsschaltung zum Überwachen einer von der Lichtquelle emittierten Lichtleistung basierend auf einem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle.
Die Einrichtung kann allgemein in einem LIDAR-System oder dergleichen verwendet werden und bspw. im Kraftfahrzeugumfeld eingesetzt werden, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Fälle beschränkt ist. Folglich umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen die Einrichtung auch einen entsprechenden Detektor oder Sensor, zum Beispiel auf der SPAD (Single Avalanche Photo Diode) Technologie basierend, CAPD (Current Assisted Photo Diode) Technologie, CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Technologie oder dergleichen, zum Detektieren von Lichtpulsen, die von der Lichtquelle emittiert und von einem Objekt reflektiert werden. Ferner kann die Einrichtung entsprechend dazu eingerichtet sein, die Laufzeit der emittierten Lichtpulse zu ermitteln und darauf basierend bspw. die Distanz zwischen der Einrichtung dem Objekt, eine dreidimensionale Abbildung des Objekts oder dergleichen zu ermitteln.
Die Lichtquelle kann ein oder mehrere Laserelemente umfassen, bspw. Laserdioden, VCSEL (Vertical Surface Emitting Laser) oder dergleichen oder kann auch auf LED (Light Emitting Diode) Technologie oder dergleichen basieren.
Bei manchen Ausführungsbeispielen soll die Lichtquelle sicher für die Augen sein („eye safe“), wie es für manche Lichtquellen, insbesondere Laser auch
vorgeschrieben sein kann. Zum Beispiel kann die Augensicherheit vorschreiben, dass die emittierte Durchschnittsleistung bei unterschiedlichen Zeitskalen, wie einer Millisekunde, oder zehn Sekunden oder dergleichen bestimmte Werte nicht überschreiten darf. Daher überwacht die Überwachungsschaltung die von der Lichtquelle emittierte Lichtleistung, wobei die Lichtquelle bei manchen Ausführungsbeispielen bspw.
deaktiviert oder gar nicht erst aktiviert wird, wenn die emittierte Lichtleistung einen Schwellwert überschreitet, bei dem bspw. die Augensicherheit nicht mehr
gewährleistet ist.
Da die Lichtquelle Lichtpulse aussendet, ist es bei manchen Ausführungsbeispielen erforderlich, die emittierte Lichtenergie zu integrieren bzw. aufzusummieren, um die emittierte Lichtleistung zu überwachen.
Dementsprechend ist es bei manchen Ausführungsbeispielen erforderlich, nicht nur die An-Zeit der Lichtquelle zu überwachen, sondern (auch) den Strom bzw. die Spannung, welche die Lichtquelle benötigt, um betrieben zu werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Strompulse, mit denen die Lichtquelle basierend auf der Pulssequenz betrieben wird (z. B. eine Laserdiode), in einem Bereich von 2 bis 10 Nanosekunden lang, ohne die vorliegende Erfindung darauf zu beschränken. Entsprechend wurde auch erkannt, dass ein herkömmlicher Analog- Digitalwandler oder -Umsetzer in einem Bereich von 1 GHz bis 5 GHz benötigt würde, um das Stromsignal zu digitalisieren, wobei solche Wandler typischerweise teuer sind und eine hohe Leistung benötigen (z. B. größer 500 Milli-watt, also
0,5 Watt), sodass bei manchen Ausführungsbeispielen andere Mittel zum Einsatz kommen, wie auch weiter unten erläutert wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert die Bestimmung der Distanz auf dem sogenannten TCSPC (time correlated single photon couting) Messprinzip,
insbesondere bei Ausführungsbeispielen, welche auf LI DAR basieren.
Die Lichtquelle kann bei manchen Ausführungsbeispielen Lichtpulse periodisch emittieren, bspw. bei einer hohen Frequenz von alle zwei Mikrosekunden in einem 300 Meter Bereich, ohne die vorliegende Erfindung auf dieses spezifische Beispiel zu beschränken. Die Einrichtung kann einen (Start-)Pulsgenerator zum Erzeugen eines Pulssignals umfassen, wobei das Pulssignal als Startpuls für die Messungen dienen kann und auch als Basis für die Erzeugung der Pulssignalsequenz.
Wie erwähnt können Lichtpulse eine Länge von fünf bis zwanzig Nanosekunden für die Messung haben und bei manchen Ausführungsbeispielen repräsentiert die Pulssequenz eine Bitsequenz, z. B. eine 16 Bit Pseudo-Random Bitsequenz, sodass bspw. eine Pulssequenz mit einer Länge von fünf Nanosekunden 16 Bits
repräsentiert, wobei bspw. jeder Bit mit dem Wert„1“ bedeutet, dass die Lichtquelle aktiv ist und„0“, dass die Lichtquelle inaktiv ist (oder umgekehrt).
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung einen An- Zeit-Monitor, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob die durchgehende
Einschaltzeit der Lichtquelle kleiner als ein vorgegebener Einschaltzeit-Schwellwert ist. Dazu kann der An-Zeit-Monitor bspw. ein Spannungssignal der Lichtquelle analysieren, welches einen bestimmten Wert hat, wenn die Lichtquelle aktiv ist und keinen oder einen niedrigeren Wert, wenn die Lichtquelle nicht aktiv ist. Die
Einschaltzeit kann proportional zur abgegebenen Lichtenergie bzw. Lichtleistung sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung einen T astverhältnis-Monitor, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob ein
Tastverhältnis der Lichtpulse (z. B. basierend auf dem Pulssignal und dem Strom- /Spannungssignal) kleiner als ein vorgegebener Tastverhältnis-Schwellwert ist. Der T astverhältnis-Monitor kann bspw. einen Pulszug von Lichtpulsen, der basierend auf der Pulssequenz entsteht, anhand des Strom-/Spannungssignals so integrieren, dass alle aktiven Lichtpulse des Pulszuges berücksichtigt werden. Dies kann dadurch geschehen, dass alle Bits der Pulssequenz ermittelt werden, bei denen die
Lichtquelle aktiv ist (z. B. alle Bits mit dem Wert„1“ oder„0“). Der Tastverhältnis- Schwellwert kann bspw. so gewählt werden, dass er vorgibt, dass die Lichtquelle für nicht mehr als 8 Bit-Perioden (z. B. 80 ns) aktiv war. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung einen Fenster-Monitor, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob die Lichtquelle außerhalb der Pulssequenz aktiviert ist. Damit kann bspw. eine Fehlfunktion der Lichtquelle erkannt werden, wenn z. B. die Lichtquelle nicht deaktiviert wird nach der Pulssequenz oder nicht mehr korrekt auf sie reagiert.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Einrichtung einen
Pulssequenzgenerator, der dazu eingerichtet ist, die Pulssignalsequenz, z. B.
basierend auf dem Pulssignal, zu generieren.
Die Einrichtung kann auch weiter einen Pulsfenstergenerator umfassen, der basierend auf dem Pulssignal ein Pulsfenster generiert, wobei bspw. bei Empfang des Pulssignals der Start des Pulsfensters generiert wird und nach Ablauf des Pulszuges das Ende des Pulsfensters generiert wird. Das Pulsfenster selbst kann bspw. durch ein entsprechendes Signal repräsentiert werden und stellt die aktive Zeit der Lichtquelle dar (bezogen auf einen Pulszug).
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die die Überwachungsschaltung einen ersten Umsetzer zum zeitkorrelierten Abtasten des Stromsignals von der Lichtquelle (und zum Ausgeben eines entsprechenden abgetasteten und digitalisierten
Stromsignals).
Schnelle Zeit-zu-Digital-Umsetzer sind grundsätzlich bekannt und können bspw. eine Zeitauflösung von besser als 500 Pikosekunden haben.
Dadurch kann das Stromsignal von der Lichtquelle kostengünstig und mit hoher Zeitauflösung digitalisiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung einen zweiten Umsetzer zum zeitkorrelierten Abtasten des Spannungssignals von der Lichtquelle (und zum Ausgeben eines entsprechenden abgetasteten und
digitalisierten Spannungssignals). Dabei kann die analoge Wellenform des Stromsignals bzw. des Spannungssignals sequentiell abgetastet werden, da es bei manchen Ausführungsbeispielen synchron und periodisch zu dem TCSPC Messzyklus ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung einen Energieberechner, der dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle einen elektrischen Energiewert und darauf basierend eine gesamte Lichtleistung oder Pulsenergie zu berechnen (z. B.
basierend auf dem Strom- bzw. Spannungssignal welches von dem ersten bzw.
zweiten Umsetzer abgetastet wurden). Der Energieberechner kann bspw. einfach die Energie durch die Multiplikation des Spannungswerts U mit dem Stromwert I berechnen, wobei der Stromwert I durch Integration des von dem ersten Umsetzer stammenden Stromsignals ermittelt wird und wobei der Spannungswert U entweder ein modellbasierter Wert sein kann (bspw. aufgrund eines linearen Zusammenhangs mit dem Stromwert I ermittelt oder aufgrund einer monoton steigenden Funktion ermittelt, die eine eindeutige Funktion für den Zusammenhang zwischen
Spannungswert U und Stromwert I darstellt), eine vorgegebene Konstante sein kann oder durch Integration des von dem zweiten Umsetzer stammenden
Spannungssignals ermittelt sein kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Einrichtung weiter einen
T emperaturkompensator, der dazu eingerichtet ist, die emittierte Lichtleistung basierend auf dem elektrischen Energiewert und einem Betriebstemperaturwert der Lichtquelle zu korrigieren. Generell kann die abgegebene Lichtleistung mit der Temperatur korrelieren, wobei bspw. die Effizienz mit der Erhöhung der Temperatur fällt, sodass ein höherer Strom, der durch die Lichtquelle fließt, nicht unbedingt mit einer höheren emittierten optischen Energie einhergehen muss. Mit anderen Worten kann die benötigte elektrische Energie in Korrelation mit der Temperaturerhöhung steigen, die für die gleiche abgegebene Lichtenergie benötigt wird. Diesen Effekt kann der Temperaturkompensator berücksichtigen, indem er bspw. eine
Lichtleistung, die auf Grundlade des Strom- und/oder Spannungssignals erfolgt, entsprechend der aktuellen Temperatur korrigiert oder indem er einen Referenzwert korrigiert, mit dem bspw. die von dem Energieberechner ermittelten elektrischen Energie verglichen wird.
Dementsprechend umfasst bei manchen Ausführungsbeispielen die Lichtquelle einen T emperatursensor, der den Betriebstemperaturwert der Lichtquelle an den
T emperaturkompensator ausgibt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Einrichtung einen Messwiderstand (z. B. Shunt-Widerstand), der ein Spannungsabtastsignal basierend auf einem Stromsignal der Lichtquelle ausgibt. Ferner kann ein D iffe re n zve rstä rke r vorgesehen sein, der das Spannungsabtastsignal des Messwiderstands verstärkt. Außerdem kann die Einrichtung einen Komparator umfassen, der das Spannungsabtastsignal mit einem Referenzwert vergleicht und darauf basierend ein Statussignal der
Lichtquelle an die Überwachungsschaltung ausgibt. Das Statussignal kann bspw. ein „Lichtquelle an“-Signal sein, das signalisiert, dass die Lichtquelle aktiv ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Überwachungsschaltung eine Fehler-Logik, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der Überwachung der von der Lichtquelle emittierten Lichtleistung die Lichtquelle zu deaktivieren.
Die hierin diskutierte Einrichtung kann in einer Laufzeit-Messeinrichtung integriert sein, wie z. B. einer LI DAR Messeinrichtung, die wiederum in einem Kraftfahrzeug oder einer anderen Vorrichtung integriert oder vorgesehen sein kann. Die
beschriebene Einrichtung kann auch Einsatz in einem autonom betriebenen (Kraft fahrzeug finden.
Die oben bzw. hierin erläuterten Verfahrensschritte können auch Gegenstand eines Verfahrens zum Betreiben einer Lichtquelle zur Laufzeitmessung (bzw. zum
Betreiben einer LIDAR-Messeinrichtung oder dergleichen) sein, das bspw. von einer hierin beschriebenen Einrichtung ausgeführt wird. Manche Ausführungsbeispiele betreffen auch ein (Computer-)Programm, das Instruktionen erhält, die, wenn sie auf einem Prozessor oder Computer ausgeführt werden, dazu führen, dass das hierin beschriebene Verfahren ausgeführt wird.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen auch ein Computer-lesbares Medium, das ein Programm bzw. Instruktionen erhält, das bzw. die, wenn sie auf einem Prozessor oder Computer ausgeführt werden, dazu führen, dass das hierin beschriebene Programm bzw. Verfahren ausgeführt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird zusammenfassend entsprechend eine Überwachung kritischer Parameter der Augensicherheit bereitgestellt. Die Lichtquelle kann durch ein entsprechendes Signal abgeschaltet werden, wenn eine Verletzung eines Parameters, der für die Augensicherheit relevant ist, erkannt wird. Ferner kann ein Startpulssignal verwendet werden, um die An-Zeit der Lichtquelle (z. B. des Lasers) zu überwachen. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Lichtquelle abgeschaltet, wenn eine Einschalt-Zeit („t_on_max“ von z. B. sieben oder fünf Nanosekunden Pulsen) überschritten wird. Die Lichtquelle kann auch abgeschaltet werden, wenn sie außerhalb des Pulsfensters aktiv ist und/oder wenn eine
Pulssequenz einen T astverhältnis-Schwellwert übersteigt. Bei manchen
Ausführungsbeispielen wird auch der Durchschnitts- und der Spitzenstromwert der Lichtquelle überwacht, bspw. auf Grundlage eines TDC Schaltkreises unter
Verwendung eines Histogramms, wobei Stromwerte in ein Histogramm gefüllt werden, um einen entsprechenden zeitbasierten Stromwertverlauf zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Betreiben einer
Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung veranschaulicht; und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Betreiben einer Lichtquelle zur optischen Laufzeitmessung veranschaulicht. Fig. 1 veranschaulicht ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels einer Einrichtung 1 zum Betreiben einer Laserdiode 2 zur optischen Laufzeitmessung mit einer Überwachungsschaltung 3 zum Überwachen der Augensicherheit des Betriebs der Laserdiode 2.
Ein Startpulsgenerator 4 der Einrichtung 1 gibt periodische Triggersignale aus, um eine LI DAR Pulsmessung zu starten, z. B. eine einzelne Messung innerhalb eines TCSPC Zyklus.
Die periodischen Triggersignale oder Pulssignale werden von einem
Pulssequenzgenerator 5 empfangen, der in Reaktion darauf eine Pulssequenz generiert, indem er die periodischen Pulssignale in die Pulssequenz transformiert, die bspw. eine 16 Bit-Sequenz von„0“ und„1“ sein kann, wobei eine„1“ ein Einschalten oder Aktivieren des Lasers (Laserdiode) 2 verursacht, sodass der Laser 2 Lichtpulse gemäß der Pulssequenz emittiert. Die Pulssequenz ist mit einer 10 ns Bit-Periode serialisiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Länge eines Pulszuges von Lichtsignalen 160 ns.
Der Pulszug kann grundsätzlich jede beliebige Kombination aus„1“ und„0“ haben mit einer gewissen Randbedingung für die„1“, da diese die An -Zeit des Lasers 2 bestimmt, sodass die Gesamtanzahl von„1“ zusammen mit der Pulsfrequenz die durchschnittliche Laserleistung definiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Pulszug auch nur einen einzelnen Lichtpuls aufweisen.
Der Pulssequenzgenerator 5 gibt die Pulssequenz an einen Lasertreiber 6 aus, der die Pulssequenz in Hoch-Stromsignale zum Betreiben der Laserdiode 2 umwandelt.
Der Lasertreiber 6 ist mit einem Laserschalter 7 verbunden, an dem eine
Laserversorgungsspannung +V|S anliegt, die, wenn der Laserschalter 7 eingeschaltet ist, an den Lasertreiber 6 geliefert wird.
Der Laserschalter 7 kann die Laserdiode 2 abschalten, wenn bspw. der Lasertreiber 6 eine Fehlfunktion hat, defekt ist oder eine Kurzschlusssituation eintritt, welche die Laserdiode 2 permanent Licht(pulse) emittieren lässt, was kritisch in Bezug auf die Augensicherheit wäre, und er stellt außerdem einen redundanten Steuerpfad dar, da neben dem Lasertreiber 6 auch der Laserschalter 7 die Laserdiode abschalten kann. Außerdem kann der Laserschalter 7 von der Überwachungsschaltung 3 ein entsprechendes Abschaltsignal erhalten, wie auch noch weiter unten näher erläutert wird.
Der Strom, der durch die Laserdiode 2 fliest, wird durch den Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand 8 gemessen, der mit der Laserdiode 2 verbunden ist. Die abgetastete Spannung wird an einen Differenzverstärker 9 geliefert, der das kleine Abtastspannungssignal verstärkt und an einen Komparator 10 ausgibt.
Der Komparator 10 vergleicht das verstärkte Spannungsabtastsignal mit einem Referenzwert und gibt ein entsprechendes Laserstatus-Signal aus, welches angibt, ob die Laserdiode an ist (Spannungsabtastsignal größer als der Referenzwert) oder aus ist (Spannungsabtastsignal kleiner als der Referenzwert).
Das Signal, welches von dem Komparator 10 ausgegeben wird, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Laser-an-Signal und die erste steigende Flanke dieses Signals kann verwendet werden, um die TDCs für die Time-of-Flight Messung zu starten.
Der Startpulsgenerator 4 liefert das Pulssignal auch an einen Pulsfenstergenerator 11 , sodass der Startpulsgenerator 4 den Pulsfenstergenerator 11 triggert. Der Pulsfenstergenerator gibt ein Fenster-Signal aus, welches„hoch“ gesetzt wird (Start des Fensters), sobald der Startpuls empfangen wurde und auf„tief“ gesetzt wird (Ende des Fensters) nach der maximalen Zeit des Pulszuges, das heißt z. B. nach 160 ns, was der Länge des Pulszuges in diesem Ausführungsbeispiel entspricht.
Das Laser-an-Signal des Komparators 10 wird an die Überwachungsschaltung 3 geliefert, die drei Monitore hat, nämlich einen An-Zeit-Monitor 12, einen
T astverhältnis-Monitor 13 und einen Fenster-Monitor 13. Der An-Zeit-Monitor 12 überprüft, ob die durchgehende Einschaltzeit der Laserdiode 2 (ohne Unterbrechung) nicht einen vordefinierten Einschaltzeit-Schwellwert überschreitet. Zum Beispiel darf hier die Laserdiode 2 nicht länger als für zwei aufeinanderfolgen Pulse, d. h. zwei aufeinanderfolgende„1“ der Pulssequenz, aktiviert sein. Dementsprechend gibt der An-Zeit-Monitor 12 ein Fehlersignal an eine Fehler-Logik 15 aus, wenn die Einschaltzeit oder Aktivierungszeit in diesem
Ausführungsbeispiel oberhalb eines Einschaltzeit-Schwellwerts von 22 ns liegt, wobei sich die 22 ns aus der Einschaltzeit von 20 ns für zwei Pulse mit einer hinzugefügten Toleranz von 2 ns ergibt.
Der Tastverhältnis-Monitor 13 akkumuliert oder integriert die An-Zeiten der
Laserdiode 2 innerhalb der Periode, die durch das Pulszug-Fenster, geliefert von dem Pulsfenstergenerator 11 , definiert ist. Der Tastverhältnis-Monitor 13 gibt in diesem Ausführungsbeispielen einen Fehler an die Fehler-Logik 15 aus, wenn die Laserdiode 2 für mehr als 8 Bit-Perioden (= 80 ns = T astverhältnis-Schwellwert) innerhalb einer Pulssequenz aktiviert ist (ohne die vorliegende Erfindung auf dieses spezifische Beispiel zu beschränken).
Der Fenster-Monitor 14 überprüft, dass die Laserdiode 2 nicht außerhalb des
Pulssequenz-Fensters (Fenster-Signal), welches von dem Pulsfenstergenerator 11 geliefert wird, betrieben wird bzw. aktiviert ist. Dadurch kann eine Fehlfunktion des Systems erkannt werden, wenn bspw. der Lasertreiber 6 eine Fehlfunktion hat, defekt ist oder dergleichen und bspw. am Ende einer Pulssequenz nicht abschaltet. Der Fenster-Monitor 14 gibt in diesem Fall ebenfalls ein Fehlersignal an die Fehler- Logik 15 aus.
Die Fehler-Logik 15 kombiniert die Fehlersignale, welche sie von den Monitoren 12 bis 14 erhält und im Falle eines Fehlers sendet sie ein entsprechendes
Abschaltsignal an den Laserschalter 7, der in Reaktion des Abschaltsignals die Laserdiode 2 abschaltet. Außerdem kann die Fehler-Logik 15 auch einen
entsprechenden Fehlerreport an eine übergeordnete Steuerung senden. Fig. 2 veranschaulicht ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Einrichtung 20 zum Betreiben einer Laserdiode 21 zur optischen Laufzeitmessung mit einer Überwachungsschaltung 22 zum Überwachen der Augensicherheit des Betriebs der Laserdiode 21.
Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das TCSP LIDAR-Messprinzip und es werden wenigstens zwei Pulse oder Pulssequenzen ohne Veränderung
hintereinander emittiert.
Ein Startpulsgenerator 23 der Einrichtung 20 gibt periodische Triggersignale aus, um eine LI DAR Pulsmessung zu starten, z. B. eine einzelne Messung innerhalb eines TCSPC Zyklus.
Die periodischen Triggersignale oder Pulssignale werden von einem
Pulssequenzgenerator 24 empfangen, der in Reaktion darauf eine Pulssequenz generiert, indem er die periodischen Pulssignale in die Pulssequenz transformiert, die bspw. eine 16 Bit-Sequenz von„0“ und„1“ sein kann, wobei eine „1“ ein Einschalten oder Aktivieren des Lasers (Laserdiode) 21 verursacht, sodass der Laser 21
Lichtpulse gemäß der Pulssequenz emittiert. Die Pulssequenz ist mit einer 10 ns Bit- Periode serialisiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Länge eines Pulszuges von Lichtsignalen 160 ns.
Der Pulszug kann grundsätzlich jede beliebige Kombination aus„1“ und„0“ haben mit einer gewissen Randbedingung für die„1“, da diese die An -Zeit des Lasers 21 bestimmt, sodass die Gesamtanzahl von„1“ zusammen mit der Pulsfrequenz die durchschnittliche Laserleistung definieren.
Der Pulssequenzgenerator 24 gibt die Pulssequenz an einen Lasertreiber 6 aus, der die Pulssequenz in Hoch-Signale (Stromsignale) zum Betreiben der Laserdiode 21 umwandelt. Der Lasertreiber 25 ist mit einem Laserschalter 26 verbunden, an dem eine
Laserversorgungsspannung +V|S anliegt, die, wenn der Laserschalter 26
eingeschaltet ist, an den Lasertreiber 25 geliefert wird.
Der Laserschalter 26 kann die Laserdiode 21 abschalten, wenn bspw. der
Lasertreiber 25 eine Fehlfunktion hat, defekt ist oder eine Kurzschlusssituation eintritt, welche die Laserdiode 21 permanent Licht(pulse) emittieren lässt, was kritisch in Bezug auf die Augensicherheit wäre, und er stellt außerdem einen redundanten Steuerpfad dar, da neben dem Lasertreiber 25 auch der Laserschalter 26 die Laserdiode 21 abschalten kann. Außerdem kann der Laserschalter 26 von der Überwachungsschaltung 22 ein entsprechendes Abschaltsignal erhalten, wie auch noch weiter unten näher erläutert wird.
Der Strom, der durch die Laserdiode 21 fließt, wird durch den Spannungsabfall über einen Shunt-Widerstand 27 gemessen, der mit der Laserdiode 21 verbunden ist. Die abgetastete Spannung wird an einen Differenzverstärker 28 geliefert, der das kleine Abtastspannungssignal verstärkt und an einen Komparator 29 ausgibt.
Der Komparator 29 vergleicht das verstärkte Spannungsabtastsignal mit einem Referenzwert und gibt ein entsprechendes Laserstatus-Signal aus, welches angibt, ob die Laserdiode 21 an ist (Spannungsabtastsignal größer als der Referenzwert) oder aus ist (Spannungsabtastsignal kleiner als der Referenzwert).
Das Signal, welches von dem Komparator 29 ausgegeben wird, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Laser-an-Signal und die erste steigende Flanke dieses Signals kann verwendet werden, um die TDCs für die Time-of-Flight Messung zu starten und auch, um die beiden TCADCs 30 und 31 (siehe auch weiter unten) der Überwachungsschaltung 22 zu starten. Alternativ kann auch der Startpuls des Startpulsgenerators 23 dafür verwendet werden, wobei das Ausgabesignal des Komparators 29 leicht verzögert ist und nicht durch Zittern („jitter“) vom Lasertreiber 25 beeinflusst ist. Die TCADCs 30 und 31 können beispielsweise so ausgestaltet sein, wie es in der deutschen Patentanmeldung Nr. 102018220688.0 offenbart ist, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig hierin aufgenommen wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Überwachungsschaltung einen ersten TCADC 30 (time correlated analog-to-digital Converter), auch erster Umsetzer 30 genannt, und einen zweiten TCADC 31 , auch zweiter Umsetzer 31 genannt.
Der erste TCADC 30 tastet das analoge Stromsignal, das von dem
D iff e re n zve rstä rke r 28 geliefert wird, zeitkorreliert ab und stellt nach einem TCSPC- Zyklus z. B. hundert Puls-Wiederholungen ein abgetastetes Stromsignal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung, das zu einem Energieberechner 32 geliefert wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel (kann bei anderen weggelassen werden), tastet der zweite TCADC 31 das analoge Spannungssignal der„Hoch-Seite“ der
Laserdiode 21 zeitkorreliert ab und nach einem TCSPC-Zyklus oder z. B. hundert Puls-Wiederholungen stellt der zweite TCADC 31 ein abgetastetes Spannungssignal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung, das ebenfalls zu dem Energieberechner 32 geliefert wird.
Der Energieberechner 32 berechnet, sobald verfügbar (z. B. nach hundert Puls- Wiederholungen), basierend auf dem digitalisierten Stromsignal von dem ersten TCADC 30 und dem digitalisierten Spannungssignal des zweiten TCADC 31 die gesamte Pulsenergie (gesamte elektrische Energie, die durch die Laserdiode 21 geflossen ist und einer emittierten Lichtleistung entspricht) durch Multiplizieren des Integrals über das Spannungssignal mit dem Integral über das Stromsignal.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der zweite TCDAC 31 nicht vorgesehen ist, kann der Spannungswert als Konstante angenommen werden oder bspw. über einen linearen (oder wie oben ausgeführt monotonen) Zusammenhang mit dem
Stromsignal abgeleitet werden.
Der Wert der gesamten Pulsenergie (hier entsprechend die gesamte elektrische Energie) wird an einen Vergleicher 33 geliefert, der den Wert der gesamten
Pulsenergie mit einem Referenzwert vergleicht und wenn der Referenzwert überschritten wird, ein entsprechendes Fehlersignal an eine Fehler-Logik 34 ausgibt, wobei die Fehler-Logik 34 in Reaktion auf das Fehler-Signal ein entsprechendes Abschaltsignal an den Laserschalter 26 ausgibt, der dann die Laserdiode 21 abschaltet. Die Fehler-Logik 34 kann dabei auch noch andere Fehlersignale empfangen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an der Laserdiode 21 ein T emperatursensor 35 vorgesehen, der die Betriebstemperatur der Laserdiode 21 ermittelt und ein entsprechendes Temperatursignal an einen Temperaturkompensator 36 der
Überwachungsschaltung 22 liefert.
Der Temperaturkompensator 36 überwacht die Temperatur der Laserdiode 21 basierend auf dem empfangenen Temperatursignal. Die gemessene elektrische Energie (durch die Abtastung der TCADCS 30 und 31 und berechnet durch den Energieberechner 32), welche von der Laserdiode 21 verbraucht wird, ist mit der emittierten Lichtleistung über die optische Effizienz der Laserdiode 21 verknüpft, wobei die Effizienz oder der Wirkungsgrad der Laserdiode 21 temperaturabhängig ist, sodass sich die Effizienz mit steigender Temperatur verringert, insbesondere bei einer Temperatur von über 60 °C bei diesem Ausführungsbeispiel.
Für die Augensicherheit ist allerdings nicht die emittierte Lichtenergie bzw.
Lichtleistung relevant, sodass bei hohen Betriebstemperaturen der Laserdiode 21 auch die elektrische Energie erhöht sein kann, ohne dass die emittierte Lichtleistung in Bezug auf die Augensicherheit zu hoch wäre.
Der Temperaturkompensator 36 hat in seinem Speicher einen Zusammenhang zwischen der emittierten optischen Lichtleistung und der Betriebstemperatur gespeichert und kann durch Kommunikation mit dem Vergleicher 33 den dort abgelegten Referenzwert basierend auf der aktuellen Betriebstemperatur
entsprechend anpassen, sodass bei höheren Betriebstemperaturen der
Referenzwert für die zulässige Pulsenergie (die auf der elektrischen Energie beruht, wie oben ausgeführt wurde) entsprechend erhöht wird. Bezuqszeichen Einrichtung zum Betreiben einer Laserdiode zur optischen Laufzeitmessung Laserdiode (Lichtquelle)
Überwachungsschaltung
Startpulsgenerator
Pulssequenzgenerator
Lasertreiber
Laserschalter
Shunt-Widerstand (Messwiderstand)
Differenzverstärke
Komparator
Pulsfenstergenerator
An-Zeit-Monitor
T astverhältnis-Monitor
Fenster-Monitor
Fehler-Logik
Einrichtung zum Betreiben einer Laserdiode zur optischen Laufzeitmessung Laserdiode (Lichtquelle)
Überwachungsschaltung
Startpulsgenerator
Pulssequenzgenerator
Lasertreiber
Laserschalter
Shunt-Widerstand (Messwiderstand)
Differenzverstärke
Komparator
erster TCADC (Umsetzer)
zweiter TCADC (Umsetzer)
Energieberechner
Vergleicher
Fehler-Logik
Temperatursensor 36 T emperaturkompensator

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung (1 , 20) zum Betreiben einer Lichtquelle (2, 21 ) zur optischen Laufzeitmessung, umfassend:
eine Lichtquelle (2, 21 ), die dazu eingerichtet ist, Lichtpulse gemäß einer Pulssignalsequenz zu emittieren; und
eine Überwachungsschaltung (3, 22) zum Überwachen einer von der Lichtquelle (2, 21 ) emittierten Lichtleistung basierend auf einem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle (2, 21 ).
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Überwachungsschaltung (3) einen An-Zeit-Monitor (12) umfasst, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob die durchgehende Einschaltzeit der Lichtquelle (2) kleiner als ein vorgegebener Einschaltzeit-Schwellwert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (3) einen T astverhältnis-Monitor (13) umfasst, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob ein Tastverhältnis der Lichtpulse kleiner als ein vorgegebener T astverhältnis-Schwellwert ist.
4. Eirichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (3) einen Fenster-Monitor (14) umfasst, der dazu eingerichtet ist, zu überwachen, ob die Lichtquelle (2) außerhalb der Pulssequenz aktiviert ist.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Pulssequenzgenerator (5, 24) umfassend, der dazu eingerichtet ist, die
Pulssignalsequenz zu generieren.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, weiter einen Pulsfenstergenerator (11 ) umfassend, der basierend auf einem Pulssignal ein Pulsfenster generiert.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (22) einen ersten Umsetzer (30) zum zeitkorrelierten Abtasten des Stromsignals von der Lichtquelle (21 ) umfasst.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Überwachungsschaltung (22) einen zweiten Umsetzer (31 ) zum zeitkorrelierten Abtasten des Spannungssignals von der Lichtquelle (21 ) umfasst.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (22) einen Energieberechner (32) umfasst, der dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Stromsignal und/oder Spannungssignal der Lichtquelle (21 ) einen elektrischen Energiewert zu berechnen.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, weiter einen T emperaturkompensator (36) umfassend, der dazu eingerichtet ist, die emittierte Lichtleistung basierend auf dem elektrischen Energiewert und einem Betriebstemperaturwert der Lichtquelle (21 ) zu korrigieren.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Lichtquelle (21 ) einen
T emperatursensor (35) umfasst, der den Betriebstemperaturwert der Lichtquelle (21 ) an den T emperaturkompensator (36) ausgibt.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen
Messwiderstand (8, 27) umfassend, der ein Spannungsabtastsignal basierend auf einem Stromsignal der Lichtquelle (2, 21 ) ausgibt.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, weiter einen Differenzverstärker (9, 28) umfassend, der das Spannungsabtastsignal des Messwiderstands (8, 27) verstärkt.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, weiter einen Komparator (10, 29) umfassend, der das Spannungsabtastsignal mit einem Referenzwert vergleicht und darauf basierend ein Statussignal der Lichtquelle (2, 21 ) an die Überwachungsschaltung (3, 22) ausgibt.
15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung (3, 22) eine Fehler-Logik (15, 34) umfasst, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der Überwachung der von der Lichtquelle (2, 21 ) emittierten Lichtleistung die Lichtquelle (2, 21 ) zu deaktivieren.
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